Y - radfiz.org.ua

Download Report

Transcript Y - radfiz.org.ua

ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Лекція 02

Кінетичні явища і напівпровідниках

Анатолій Євтух

Інститут високих технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Кінетичні явища (явища переносу)

Причина явищ –

2. Ефект Холла.

електрони провідності в своєму русі переносять звязані з ними фізичні величини: масу, електричний заряд, енергію та ін. В результаті чого при певних умовах виникають направлені потоки цих величин, що приводить до ряду електричних і теплових ефектів.

1. Електропровідність.

3. Зміна опору в магнітному полі.

4. Термоерс.

5. Ефект Томсона.

6. Ефект Пельтє.

7. Ефект Нернста-Етінгсгаузена.

8. Ефект Рігі-Ледюка.

9. Повздовжні термомагнітні ефекти.

10.

Дифузія.

11.

Теплопровідність

1. Електропровідність.

В результаті невпорядкованого теплового руху в електронному газі в стані теплової рівноваги не має переважних напрямів руху, і тому середнє значення теплової швидкості рівне нулю.

При накладанні зовнішнього електричного поля електрони отримують додаткову швидкість під дією поля. В цьому випадку результуючий рух електронів вже не є зовсім невпорядкованим і виникає направлений потік електричного заряду (електричний струм).

Схема руху вільного електрону за рахунок теплової енергії (а) і в зовнішньому електричному полі (б).

Схематичне зображення швидкостей електронів провідності при відсутності (а) і наявності (б) електричного поля .

Відстань, яку проходить вільний носій заряду між двома зіткненнями, називається

довжиною вільного пробігу

, а усереднене значення всіх відрізків шляху є

середня довжина вільного пробігу.

Час між двома зіткненнями і його усередене значення називається

часом вільного пробігу

і

середнім часом вільного пробігу.

Середня довжина вільного пробігу l і середній час вільного пробігу  звязані співвідношенням де

v 0 l=v 0

×  середня швидкість теплового руху вільного носія.

В напвпровідниках при кімнатній температурі

v 0

10 7 см/с.

Фактично рух електрону зовнішнього електричного поля.

в кристалі складається з невпорядкованого теплового і впорядкованого руху, визваного дією Направлений рух сукупності носіїв заряду в електричному полі називається дрейфом, а швидкість їх направленого руху називається дрейфовою швидкістю.

В багатьох випадках дрейфова швидкість

v d

напруженості електричного поля 

.

пропорційна

V d =

  Дрейфова рухливість заряджених частинок  є швидкість, яку отримує частинка в полі з напруженістю одиниця.

Для негативних частинок для позитивних частинок   відємна, додатня.

Густина струму

j

j=env

d

= en

де

e -

заряд однієї частинки

, n -

частинок.

  концентрація рухливих Закон Ома в диференційній формі

j=

  де 

-

питома електропровідність речовини.

= en

Електропровідність напівпровідників

Власні, елементарні Ge (32) C (6) Si (14) (1s (1s 2 2s 2 2 2s 2p 2 6 2p 3s 2 2 ); 3p 2 ); (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 ).

Кристалічна гратка типу алмазу (а- постійна гратки).

Двовимірне представлення розміщення звязків в гратці кремнію (власний напівпровідник).

Процес перетворення звязаного електрона у вільний електрон називається генерацією.

Процес перетворення вільного електрона у звязаний називається рекомбінацією.

Фактичний рух електрона в кристалі складається з невпорядкованого теплового і впорядкованого руху, який визивається дією зовнішнього електричного поля.

Механізм провідності обумовлений рухом звязаних електронів по вакантним звязкам отримав назву діркової провідності.

В чистому напівпровіднику, що не містить домішок, відбувається електронна і діркова електропровідність. Відповідно електричний струм у власному напівпровіднику визначається двома складовими – електронним і дірковим струмом, що протікають в одному напрямі.

Схематичне зображення енергетичних зон власного напівпровідника.

Електропровідність напівпровідників

Домішкові, елементарні As (33) (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 ); Al (13) (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ); Напівпровідник, що має домішки, називається домішковим, а провідність створена домішками називається домішковою електропровідністю.

Схематичне зображення кристалічної гратки донорного (а) і акцепторного (б) напівпровідників.

Домішка, що віддає електрон називається донорною.

Якщо домінуючу роль в провідності напівпровідника відіграють електрони, то вони є основними носіямизаряду, а дірки – неосновними носіями заряду. Такий напівпровідник називається електронним або n – типу.

Домішка, що захоплює електрон називається акцепторною.

Якщо кількість дірок значно більша кількості вільних електронів, то електропровідність електрони – кристалу неосновні носії буде дірковою.

заряду.

В такому напівпровіднику основними носіями заряду будуть дірки, а Напівпровідник з акцепторною домішкою називається дірковим або p – типу.

Енергетична діаграма донорного (а) і акцепторного (б) напівпровідників

В ізотропних речовинах дрейфова швидкість направлена або паралельно полю (у позитивних частинок), або протилежно полю (у відємних частинок), тому  і  скаляри і , відповідно вектори

j

і  співпадають по напрямку.

В анізотропних речовинах більш загальний вид

j x

= 

xx

j y j z

=  = 

yx zx

  це не має місця і співвідношення між

j

x +

x +

x +

xy yy zy

  

y +

y +

y +

xz yz zz

  

z ,, z ,, z ,,

Або в скороченому записі

j

 =      ( 

,

 =

x, y, z

).

і  має В цьому випадку явище переносу заряда визначається вже не єдиним кінетичним коефіцієнтом, сукупністю коефіцієнтів    , які є компонентами тензора 2-го рангу – тензора електропровідності.

2. Ефект Холла.

(Гальваномагнітні явища)

Ефект Холла полягає в тому, що в провіднику зі струмом, який поміщений в магнітне поле, зявляються електрорушійні сили і, як наслідок, виникає додаткове електричне поле.

Y = U / d = RBj = RB I / ad R –

постійна Холла; d товщина зразка; a – ширина зразка; I - повний струм Знак кута Холла: а)  >0; б)  <0.

Сила Лоренца

F m

= q/c v ×B.

Вираз кута Холла через компоненти тензора електропровідності в tg  =  магнітному полі

y /

( 

xy

x

=-

= -

yx

   

yx

; 

xx

/ 

yy

= = 

xy

yy

) / 

xx

Вираз постійної Холла

R

через компоненти тензора електропровідності в магнітному полі    = 1/B (  ×

y =

xy

xy

/(  2

xx +

 2

xy )

/(  2

xx +

 2

xy )

×j x ) Технічні застосування ефекта Холла: вимірювання напруженості магнітного поля; вимірювання сили струму і потужності (В- відоме); генерація, модуляція і демодуляція електричних коливань; квадратичне детектування коливань; підсилення електричних сигналів; та ін.

3. Зміна опору в магнітному полі.

Зовнішнє магнітне поле викликає зміну j

x   /  =   /  =   B 2   коефіцієнт поперечного магнітоопору (залежить від властивостей матеріалу).

 

(B)= j

x

/

x =

(  2

xx +

 2

xy ) /

 2

xx

Якщо магнітне поле паралельне струму, поздовжній магнітоопір  II /  =0

4. Термоерс.

( термоелектричні явища)

Між кінцями розімкненого провідника, які мають різну температуру, виникає різниця потенціалів, а значить всередині провідника зявляється електрорушійна сила. Причина ефекту – потік дифузії заряджених частинок від нагрітого кінця до холодного більший, ніж в зворотньому напрямку.

 На кінцях провідника (і на його поверхні) зявляються електричні заряди, а в середині – електричне поле. dV диференційна термоерс.

0 =  dT

Термоерс. Вказаний знак напруги відповідає позитивним носіям заряду і Т 2 > Т 1 .

Метали –  мкВ/град = 1  10 мкВ/град Напівпровідники  = (1  10)  10 3 Термозонд. З- нагрітий стержень, П напівпровідник, М холодна металічна пластина. Знак напруги показаний для позитивних частинок.

5. Ефект Томсона.

Якщо в однорідному провіднику є градієнт температури в напрямку осі Х і в тому ж напрямку тіче електричний струм густиною

j

, то в кожній одиниці обєму за одиницю часу виділяється, крім тепла Джоуля

j 2

/  ще додаткове тепло  T

j dT/dx

.

 T коефіцієнт Томсона.

При зміні напрямку струму на зворотній тепло Томсона міняє знак: замість поглинання тепла спостерігається його виділення, і навпаки.

При наявності градієнта температури в провіднику є ще тепловий потік, обумовлений теплопровідністю речовини.

Кількість тепла, що проходить через одиницю поверхні за одиницю часу в напрямку Х є 

dT/dx

, де  – коефіцієнт теплопровідності.

Якщо цей потік змінюється в просторі (в результаті зміни  в обємі провідника також виділяється тепло.

чи

dT/dx

), то

d/dx

( 

dT/dx).

В загальному випадку, коли напрям

j

і 

T

не співпадає, повна генерація тепла в одиниці обєму за одиницю часу рівна Q V = j 2 /   T (

j

T

) + div (  

T

).

В стаціонарному випадку Q V = 0.

Тому в провіднику встановлюється такий просторовий розподіл температури, при якому тепло, що відводиться теплопровідністю, як раз дорівнює сумі тепла Джоуля і тепла Томсона.

6. Ефект Пельтє.

Зворотнє виділення тепла спостерігається на границі контакту двох різних провідників. Кількість тепла, що виділяється на одиниці площі контакту за одиницю часу

Q

, рівне де

j

-

Q s = П 12 j.

густина струму через контакт, а

П 12

коефіцієнт Пельтє. Він залежить від властивостей провідників, що контактують.

При зміні напрямку струму на зворотній замість виділення тепла спостерігається його поглинання і навпаки. Тобто, енергії електронів Е 1 і Е 2 провідника в другий змінюється:

П 12 = П 21 .

Причина виділення (поглинання) тепла Пельтє полягає в тому, що середні в різних провідниках 1 і 2 неоднакові, навіть якщо обидва провідники мають одну і ту ж температуру. При переході з одного 1)Потенціальна енергія електрона -e  , оскільки на границі розділу є скачок електростатичного потенціалу і тому але і від концентрації електронів.

 1   2 .

2) Може змінюватись середня кінетична енергія Е . Причина- не класична статичтика Максвела-Больцмана для електронів, а квантова статистика Фермі-Дірака, у відповідності до якої залежить не лише від температури,

При наявності струму для підтримки температури контакту постійною від нього необхідно відводити енергію, якщо

Е 1 >

(виділення тепла Пельтє), або підводити її до контакту, коли

Е 1 < Е 2

(поглинання тепла Пельтє).

П 12 = П 1 – П 2 .

Е 2

де

П 1

і

П 2

– коефіцієнти Пельтє для провідника 1 і провідника 2, відповідно.

Зв’язок термоелектричних кінетичних коефіцієнтів:

П =

Т,

 T =

Т

 /

dT

Технічне застосування: термоелектричні генератори невеликої потужності; термоелектричні охолоджуючі пристрої.

7. Ефект Нернста-Етінгсгаузена

.

( термомагнітні ефекти)

Поперечний ефект Нернста-Етінгсгаузена.

Якщо провідник, в якому є градієнт температури, помістити в магнітне поле, то в ньому виникне електричне поле  перпендикулярне до 

T

и

B

, тобто в напрямку вектора

[

T

B].

Якщо градієнт температури направлений вздовж осі

Х

, а магнітна індукція – вздовж осі

Z

, то електричне поле паралельне осі

Y

.

q

 

y = q

B

постійна Нернста-Етінгсгаузена.

z dTdx.

Ge:   1 Ом см , B  10 3 Гс, dT/dx  10 2 г рад/см, то 

y

 10 -2 В/см.

q

 залежить від температури і магнітного поля і при зміні цих величин може навіть міняти знак.

Знак

q

 не залежить від знаку носіїв заряду.

Поперечний термомагнітний ефект Нернста-Етінгсгаузена.

Даний ефект виникає по тій же причині, що і ефект Хола, тобто в результаті відхилення потоку заряджених силою частинок Лоренца.

Відмінність, даному випадку однак, полягає в тім, що при ефекті Хола направлений потік частинок виникає в результаті їх дрейфу в електричному полі, а в – в результаті дифузії.

8. Ефект Рігі-Ледюка.

Поперечний термомагнітний ефект Рігі-Ледюка.

В провіднику, в якому є градієнт температури, при включенні магнітного поля зявляється також поперечна (по відношенню до початкового теплового потоку і напрямку В) різниця температур.

де dT/dy = S B z dt/dz S постійна Рігі-Ледюка, що характеризує властивості даної речовини.

Ефект Рігі-Ледюка пов'язаний з тим, дифундуючи носії заряду переносять з собою тепло (теплопровідність). Без магнітного поля потік тепла направлений від гарячого кінця до холодного, тобто паралельно - повертаються силою Лоренца на деякий кут. Тому виникає складова теплового потоку вздовж осі Y, що і приводить до появи складової градієнта температури - Лоренца при даному напрямку дифузії залежать від знаку заряджений частинок, то кут повороту теплового потоку, а значить і постійна мають різні знаки для позитивних і

негативних носіїв заряду.

. В магнітному полі потоки дифузії і тепла

. Так як сили

9. Повздовжні термомагнітні ефекти.

-

Повздовжні термомагнітні ефекти:

поздовжній ефект Нернста-Етінгсгаузена-зміна поперечному магнітному полі; термоерс в поздовжній ефект Рігі-Ледюка – зміна теплопровідності в магнітному полі.

Теплообмін з оточуючим середовищем 1) Ізотермічний – поперечні градієнти температур рівні 0; 2) Адіабатичний – поперечні потоки тепла рівні 0. Величини різних кінетичних коефіцієнтів – електропровідності, постійної Хола, термоерс та ін. – суттєво залежать від властивостей рухливих носіїв заряду: їх заряду, маси, енергетичного спектру в кристалі, а також від особливостей їх взаємодії з кристалічною граткою.

Дякую за увагу!